(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つ以上のセンサと少なくとも１つ以上の集積回路を積層することによって構成されるハイブリッドセンサ部品であって、センサの信頼性に係る機能を有する凹構造と凸構造が一方の面あるいは両方の面に形成されるインターポーザーと、当該インターポーザーは１つ以上のセンサ又は集積回路の一方または両方と電気的または機械的に結合したことを特徴とするハイブリッドセンサ部品
【請求項２】
電気的配線と機械的結合部を有する第１の表面と第２の表面によって構成され、第１の表面と第２の表面がビアによって電気的に結合されたインターポーザーとで構成される請求項１に記載のハイブリッドセンサ部品
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】センサと集積回路を一つのパッケージによってモジュール化する方法に関するものである。特に、本発明の方法は、異形のセンサと集積回路を、積層一体化し、小型、低容積化を実現する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】近年の情報端末、携帯電話などの携帯機器は、低コスト、小型、高機能、軽量化などが強く求められている。このような携帯機器の情報処理能力の向上、ユビキタス化に伴うユーザー側からの様々な情報の要求から、ハイブリッドセンサ部品の搭載が必要となってきた。【０００３】このようなハイブリッドセンサ部品は、センサと集積回路が一体となった集積型、センサと集積回路を分けた非集積型の大きく分けて２種類の形で構成される。【０００４】一般的に枯れた技術となっている半導体集積回路工程を経て作製される集積回路にくらべ、バルク加工技術などを用いるセンサは歩留まりが悪い。【０００５】よって、集積型は常にセンサ部の歩留まりにコストを制限されるため、後者の非集積型が主体となりつつある。しかしながら、センサと集積回路を別筐体で搭載すると、回路基板上でのフットプリント、容積等で不利である。【０００６】集積回路チップの場合、ＳＩＰ（Ｓｙｓｔｅｍ  ｉｎ  Ｐａｃｋａｇｅ）技術、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）技術などによって集積回路を３次元に積層化することで実装効率を向上させている。【０００７】しかしながら、センサを含む実装では３次元積層が多くの制約を受けるという問題がある。センサを含む実装の際は、センシング部分が積層によって影響を受けてはならない。よって、積層によってセンサが誤動作あるいは破壊してしまうことに注意する必要がある。また、低コスト化のためには汎用の集積回路を利用できることも必要となってくる。【０００８】センサは、情報として必要としている信号以外の外乱によって影響を受けやすい。従来用いられるセラミックなどによって構成されるパッケージは、センサや集積回路を構成する材料であるシリコンと熱的にマッチングが悪いため、信号特性に悪影響を与える場合がある。また、コストも高い。【０００９】図１に従来技術例１を示す。１ａはセンサであり、１ｂは集積回路であり、１ｃは集積回路とセンサの接続端子であり、１ｄはセンサとパッケージ１ｅを接続する配線である。【００１０】ここでセンサは、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、気流センサ、温度センサ、湿度センサ等及びそれらを複合したものが挙げられる。【００１１】本技術例によれば、集積回路の多段積層化が可能である。しかしながら、１ａのようなセンサと集積回路の組み合わせの場合、センサの破壊、信頼性への影響があり、その応用は大きく制限される。また、センサと集積回路はお互いに電気的・機械的に接続可能なように作製する必要があり、それぞれの自由度は著しく制限される。【００１２】図２に従来技術例２を示す。２ａはセンサであり、２ｂは集積回路であり、２ｃは集積回路とセンサを接続する配線であり、２ｄはセンサとパッケージ２ｅを接続する配線である。【００１３】ここでセンサは、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、気流センサ、温度センサ、湿度センサ等及びそれらを複合したものが挙げられる。【００１４】本従来技術例２によれば、センサと集積回路の自由度は、非常に高い。集積回路とセンサを一つのパッケージに収めることによる信頼性の低下等の影響も少ない。しかしながら、センサと集積回路両方のフットプリントが必要とな���、小型、省面積化を実現することは非常に困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】そこで本発明の目的は、センサと集積回路を積層、あるいはそれらと同じ材料であるシリコンで構成されるインターポーザーを介して接続し、センサ性能への影響なく集積回路との積層化をおこない、小型、高機能および高性能なセンサモジュールを提供することにある。【００１６】また、集積回路にセンサの信頼性向上のための機能を持たせることによって、さらなる小型化と信頼性向上を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】回路基板にセンサや素子を搭載した構造においては、形状が大きくなり、しかも配線が複雑化するという問題点があり、従来のようにセンサと集積回路を別々に配置すればさらに形状が大型化し、配線もさらに複雑化するという問題点がある。【００１８】本発明は、上記した問題点を解決するために、センサ機能を有する部品を構成する場合、小型化、薄型化が図れ、配線構造を簡単化することができ、単一パッケージによってハイブリッドセンサ部品を形成することを目的としている。
【発明の効果】
【００１９】本発明によれば、２つ以上の種類のセンサ、あるいはセンサと集積回路を積層して１つのセンサ部品を構成したので、ハイブリッドセンサ部品を狭い占有面積で実現でき、小型化、薄型化が図れ、配線が簡単化され、分散配置する場合に比較し、回路基板への取付けが容易となる。【００２０】また、集積回路あるいはセンサと集積回路間に挿入されるインターポーザーをセンサの信頼性を補う付属機能として利用することにより、センサの信頼性を向上することが可能である。【００２１】以上の発明によれば、センサと集積回路を小型、低容積で一つのパッケージに収めることができ、高性能、低価格で信頼性の高いハイブリッドセンサ部品を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】本発明によるハイブリッドセンサ部品は、少なくとも１つのセンサと集積回路によって構成される。それらは、互いに電気的に接続され、例えば、集積回路はセンサからの出力を処理し、出力する機能を有する。また、センサと集積回路の両者を電気的に接続するインターポーザーを有する。【００２３】ここでセンサは、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、気流センサ、温度センサ、湿度センサ等及びそれらを複合したものが挙げられる。【００２４】集積回路は、センサの信号入出力（Ｉ／Ｏ）部、処理部等によって構成され、すでに量産されている既存品やカスタム品を適宜選択する。既存量産品を利用する場合は、さらに低コスト化が望める。【００２５】以下に、上記センサのうち、加速度センサを例に本発明の形態を説明する。【００２６】請求項１のようにセンサと集積回路は、積層され電気的、機械的に接続される。しかしながら、各センサは物理的、特性的に外力に対して弱い部分を有するため、その積層方法は制限をうける。また、センサからの出力信号は非常に微弱であるため、集積回路には、その信号処理回路が搭載される。【００２７】また、加速度センサのような可動部がある場合、破壊を防ぐ目的で可動部分の変位規制機構（規制板）が設けられる。このような構造は、すでに特開平５−４１１４８号、特開平４−２７４００５号，特開平８−２３３８５１号としてすでに出願されている。また、特開２００４−１８４３７３号、特開２００４−１８４０８１によれば、規制板にセンサからの出力信号を取り出すためのワイヤーボンディングが容易になるように切り欠きを設けることなどを出願している。本発明は、規制板に切り欠きなどの加工をすることなく、同様の効果を得るものである。請求項１によれば、集積回路との接合部にインターポーザーを設けることで、ハイブリッドセンサ部品の信頼性と小型化が実現可能である。【００２８】請求項１によれば、センサと対向する面に凹構造又は／及び凸構造を作成することで重錘の可動を規制する機能を有する機構をセンサと集積回路の間に挿入されるインターポーザーに形成してもよい。本インターポーザーには、センサと集積回路を電気的、機械的に接続するビアと表面の配線を形成できる。また、本インターポーザーは、センサと集積回路の間だけではなく、どちらか一方に接続してもよく、ハイブリッドセンサ部品の機能に従って適宜選択される。【００２９】インターポーザーの材料は、センサ及び集積回路と同じ材料であるシリコンが最も望ましいが、シリコンと熱膨張係数が等しいあるいはそれに近い材料を適宜選択してもよい。【００３０】電気的接続のための配線及び電極は、メッキによる電気配線、スパッタ蒸着、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ法などによって形成される金属薄膜によっておこなわれ、配線の２次元化、３次元化によって適宜選択される。【００３１】機械的接続には、金バンプ、半田ボールなどによるフリップチップ実装、金、アルミ、銅などによるワイヤー接続、接着剤を使用する。これらの方法は、機械的接続に伴う電気的接続の必要性の有無によって適宜選択される。【００３２】例えばインターポーザーにより重錘の動きを規制するために、表面を第１の表面、裏面を第２の表面とすれば、第２の表面に数ミクロンの凹部を形成し、可動部と対向させることで可動部の動きはその凹部深さの範囲に規制される。凹部深さは０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。【００３３】凹部の代わりに、規制深さに準ずる樹脂ビーズにより接合してもよい。この場合、樹脂ビーズをセンサと集積回路間に配置し、熱圧着、超音波接合、熱溶着等の方法により接合を行う。また、樹脂ビーズを分散したシリコン樹脂等の接着剤を利用することにより規制距離を確保してもよい。樹脂ビーズの代わりに金属球、金、半田などのバンプ等を使用してもよい。【００３４】以上の観点から作製される加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品の例を図３に挙げる。ここで３ａはセンサであり、３ｂは集積回路であり、３ｃはセンサとパッケージあるいはインターポーザー３ｅ等とを接続する配線であり、３ｄは集積回路とパッケージあるいはインターポーザー３ｅ等とを接続する配線であり、３ｆは集積回路とセンサの接着層である。接着層３ｆには、接着厚みをコントロールするためのスペーサーが分散してあり、センサ３ａと対向する集積回路３ｂ面とインターポーザー３ｅが、センサ３ａの重錘の動きを抑制する役割を持っている。ここで、樹脂ビーズの大きさは、１〜２０ミクロンであり、好ましくは１〜８ミクロンであり、さらに好ましくは３〜６ミクロンである。また、樹脂ビーズは、それと同様のスペーサー効果のあるもので代用してもよい。接着層３ｆは、その正確な厚みコントロールが可能なスクリーン印刷、タコ印刷等で代用してもよい。センサ３ａと集積回路３ｂは、パッケージあるいはインターポーザー３ｅを介して電気的に接続される。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。【００３５】このように作製された加速度センサを含むハイブリッドセンサ部品は、従来技術で作製されるものと比較して、低コスト、高信頼性を有するものとなる。また、前述文献に記載される規制板の役割を集積回路あるいはインターポーザーに与えることでコストの削減が可能である。さらに、ワイヤーボンディングに必要な規制板への切り欠き加工も必要なくなる。【００３６】以下に本発明によるハイブリッドセンサ部品の実施形態について説明する。ここで本実施例におけるセンサとは、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、気流センサ、温度センサ、湿度センサ等及びそれらを複合したものを示す。
【実施例１】
【００３７】図４は、本発明による実施形態１である。４ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、４ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、４ｃは集積回路とセンサを接続する配線であり、４ｄは集積回路とインターポーザーと接続する配線であり、４ｅはパッケージあるいは回路基板であり、４ｆはインターポーザーであり、４ｇはインターポーザーとパッケージあるいは回路基板を接続する配線である。センサ４ａと集積回路４ｂは、インターポーザー４ｆを仲介して、電気的、機械的に接続されている。接続に使用される配線４ｄは、フリップチップ実装技術によって接続され、配線４ｇは、金、アルミニウム、銅などのワイヤーボンディングによって接続される。ここで、配線４ｇは、金バンプ、半田ボールなどによるフリップチップ実装でも代用可能である。また、パッケージ４ｅには、センサ４ａ重錘部の規制として彫り込みをしてもよい。彫り込みの形状は、多角形状、円形状などであり、センサ４ａの種類により適宜選択できる。ここで彫り込みの深さは、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。さらに、インターポーザー４ｆも重錘規制として働く。インターポーザー４ｆとセンサ４ａの間隔を適宜選択することで可能である。その間隔は、例えば０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。また、インターポーザー４ｆに凸形状、あるいは凹形状にすることにより間隔の調整も可能である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。
【実施例２】
【００３８】図５は、本発明による実施形態２である。５ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、５ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、５ｆは集積回路とセンサを接続するインターポーザーであり、５ｄは集積回路とインターポーザー５ｆと接続する配線であり、５ｃはセンサとインターポーザー５ｆを接続する配線である。５ｅはパッケージあるいは回路基板である。センサ５ａと集積回路５ｂは、フリップチップ実装により凹構造を有するインターポーザー５ｆに電気的、機械的に接続される。両方の回路はインターポーザー内で接続され、外部端子により信号の引き出しが行われる。配線５ｃとインターポーザー５ｆの高さを適宜選択することで、センサ５ａの重錘の可動規制を行うことも可能である。インターポーザー５ｆに凸構造を作成し、規制量をコントロールすることもできる。重錘の規制量は、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。
【実施例３】
【００３９】図６は、本発明による実施形態３である。６ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、６ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、６ｆは集積回路とセンサを接続するインターポーザーであり、６ｄは集積回路６ｂとインターポーザー６ｆと接続する配線であり、６ｃはセンサ６ａとパッケージあるいは回路基板６ｅを接続する配線である。６ｇはインターポーザーとパッケージあるいは回路基板を接続する配線である。本実施例では、インターポーザー６ｆに彫り込みによるセンサ６ａの重錘の規制を設けている。また、パッケージ６ｅに凸構造を作ることで、重錘の規制を行うことができる。重錘の規制量は、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。
【実施例４】
【００４０】図７は、本発明による実施形態４である。７ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、７ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、７ｆは集積回路とセンサを接続するインターポーザーであり、７ｄは集積回路７ｂとインターポーザー７ｆと接続する配線であり、７ｃはセンサとインターポーザー７ｆを接続する配線である。７ｇはインターポーザー７ｆとパッケージあるいは回路基板７ｅを接続する配線である。センサ７ａと集積回路７ｂは、凹構造を有するインターポーザー７ｆを介して電気的、機械的に接続されている。センサ７ａの重錘は、可動規制のためにエッチングが行われている。ここで、重錘のエッチング量は、センサ７ａとインターポーザー７ｆの接合界面より、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。
【実施例５】
【００４１】図８は、本発明による実施形態５である。８ａは少なくとも１つ以上のセンサであり、８ｂは少なくとも１つ以上の集積回路であり、８ｆは集積回路とセンサを接続するインターポーザーであり、８ｃはセンサ８ａとインターポーザー８ｆを接続する配線であり、８ｄは集積回路８ｂとインターポーザー８ｆを接続する配線である。本実施例では、凹構造を有するインターポーザー８ｆを介して、センサ８ａと集積回路８ｂが、フリップチップ実装によって電気的、機械的に接続されている。センサ８ａのふたとなる８ｇには重錘の可動を規制する彫り込みが行われている。彫り込みの形状は、多角形状、円形状などであり、センサ８ａの種類により適宜選択できる。ここで彫り込みの深さは、０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。さらに、インターポーザー８ｆも重錘規制として働く。インターポーザー８ｆとセンサ８ａの間隔を適宜選択することで可能である。その間隔は、例えば０〜２０ミクロンの範囲であり、好ましくは１〜８ミクロンの範囲であり、さらに好ましくは３〜６ミクロンの範囲であることが適当である。また、インターポーザー８ｆに凸形状、あるいは凹形状にすることにより間隔の調整も可能でセンサや集積回路の信頼性を向上させることも可能である。以上のようにして、加速度センサを用いたハイブリッドセンサ部品が実現される。
【発明の効果】
【００４２】本発明によれば、２つ以上の種類のセンサ、あるいはセンサと集積回路を積層して１つのセンサ部品を構成したので、ハイブリッドセンサ部品を狭い占有面積で実現でき、小型化、薄型化が図れ、配線が簡単化され、分散配置する場合に比較し、回路基板への取付けが容易となる。
【００４３】また、集積回路あるいはセンサと集積回路間に挿入されるインターポーザーをセンサの信頼性を補う付属機能として利用することにより、センサの信頼性を向上することが可能である。
【００４４】以上の発明によれば、センサと集積回路を小型、低容積で一つのパッケージに収めることができ、高性能、低価格で信頼性の高いハイブリッドセンサ部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来のハイブリッドセンサ部品における加速度センサの従来技術例１である。
【図２】従来のハイブリッドセンサ部品における加速度センサの従来技術例２である。
【図３】本発明のハイブリッドセンサ部品における加速度センサの展開図である。
【図４】本発明による実施例１を表す断面図である。
【図５】本発明による実施例２を表す断面図である。
【図６】本発明による実施例３を表す断面図である。
【図７】本発明による実施例４を表す断面図である。
【図８】本発明による実施例５を表す断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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